, Junio y 2018

i

Departamento de Automática y Sistemas Computacionales

: Diseño de sistema portable de análisis de gases.

: Guillermo Ambar Pérez

: DrC. Alain Sebastián Martínez Laguardia,

Ing. Luis Enrique Hernández Morales.

, Junio y 2018

ii

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui

Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la

mencionada casa de altos estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

Atribución- No Comercial- Compartir Igual

Para cualquier información contacte con:

Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las

Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

Teléfonos.: +53 01 42281503-1419

i

PENSAMIENTO

El futuro comienza hoy, no mañana.

Papa Juan Pablo II.

ii

DEDICATORIA

Dedicado a todos los que han formado parte de mi vida, especialmente a los más cercanos; a

mi familia y en especial a mis padres. Dedicado a aquellos que me han acompañado en esta

etapa que ha sido larga y difícil.

Dedicado a Ardían que espera su momento para seguir adelante.

iii

AGRADECIMIENTOS

A todos los colaboraron y tuvieron la voluntad de ayudar, especialmente a aquellos que me

llevaron a seguir en el camino hasta el final. Especialmente a Alejandro y Javier que siempre

estuvieron cerca, en las buenas y en las malas.

A la familia, que siempre está presente en las buenas y las malas, especialmente a mis padres.

A los tutores que me ayudaron hasta el final.

A los profesores, que me guiaron en la carrera.

iv

RESUMEN

La contaminación de la atmósfera afecta directamente varios aspectos de la sociedad y el

ambiente. Esto hace necesario medir varios componentes de interés para cuantificar sus

cantidades, esto a su vez trae la posibilidad de realizar acciones correctivas y preventivas en

relación a la afectación presentada o prevista respectivamente. En el presente trabajo se

realiza un análisis de los analizadores de gases presentes en el mercado, de las sustancias de

interés y de plataformas libres relacionadas al tema. Luego se realiza un diseño de analizador

de gases portable. Al final se muestran los resultados de pruebas realizadas. Los resultados

se consideran satisfactorios y muestran que es posible realizar una analizador de gases de

bajo costo, dimensiones y consumo energético.

v

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i

DEDICATORIA .................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

RESUMEN ............................................................................................................................ iv

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO ASOCIADO AL DESARROLLO DE UN

ANALIZADOR DE LA COMPOSICIÓN DEL AIRE. ......................................................... 4

1.1 Necesidad de monitorear la composición de la atmósfera ....................................... 4

Efectos de la contaminación del aire sobre la salud ......................................... 5

1.1.2 Incidencia de la composición del aire en los materiales ................................... 6

1.1.3 Efectos de la contaminación del aire sobre los ecosistemas y cultivos ............ 7

Niveles recomendados de los elementos que se consideran con un fuerte

impacto 8

1.2 Analizadores de gases en el mercado y consideraciones sobre su uso. ................... 8

1.2.1 Valoración sobre los analizadores de gases profesionales existentes ............... 9

1.2.2 Factibilidad del empleo de los analizadores de gases profesionales .............. 12

1.3 Alternativas a los analizadores de gases profesionales ............................................... 13

1.3.1 Elementos de medición que pueden formar parte del sistema ............................. 13

1.3.2 Antecedentes al empleo de sistemas de reducido consumo energético y

dimensiones .................................................................................................................. 14

1.4 Plataformas de cómputo que se pueden emplear para integrar los sensores .......... 15

1.4.1 Plataforma Arduino .............................................................................................. 15

1.4.2 Plataforma Raspberry-pi ...................................................................................... 16

vi

1.4.3 Plataforma Waspmote de la firma Libelium ........................................................ 16

1.5 Consideraciones del capítulo ...................................................................................... 17

CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA ........................... 18

2.1 Arquitectura de hardware propuesta ...................................................................... 18

2.2 Características de los sensores ............................................................................... 20

2.2.1 Sensor de humedad y temperatura AM2302 (DHT22) ................................... 20

2.2.2 Sensor de calidad del aire mediante la detección de compuestos orgánicos

volátiles y dióxido de carbono “iAQ-Core” ................................................................. 21

2.2.3 Sensor de CO2 y compuestos orgánicos volátiles “WSP2110” ...................... 22

2.2.4 Sensor de ozono MQ-131 (versión china) ...................................................... 23

2.2.5 Sensor óptico para partículas en suspensión “GP2Y1010AU0F” .................. 24

2.3 Almacenamiento de datos ...................................................................................... 25

2.4 Plataforma de cómputo .......................................................................................... 26

2.4.1 Capacidades de entrada/salida de interés ........................................................ 26

2.5 Arquitectura de software ........................................................................................ 26

2.5.1 Librerías y herramientas de software .............................................................. 26

2.5.2 Arquitectura general de software .................................................................... 27

2.5.3 Arquitectura general de una tarea ................................................................... 28

2.6 Consideraciones del capítulo.................................................................................. 29

CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS ............................. 31

3.1 Comprobación del hardware .................................................................................. 31

3.2 Pruebas de software................................................................................................ 32

3.2.1 Prueba de inicialización y adquisición de los datos ............................................. 32

3.3 Prueba general de adquisición y respuesta ante la estimulación controlada del

prototipo ............................................................................................................................ 33

vii

3.3.1 Software para la adquisición de datos del analizador de gases ....................... 33

3.3.2 Resultados de las puebas realizadas ................................................................ 35

3.4 Análisis económico y medio ambiental ................................................................. 40

3.4.1 Analisis económico ......................................................................................... 40

3.4.2 Análisis ambiental. .......................................................................................... 40

3.5 Consideraciones del capítulo.................................................................................. 41

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 42

Conclusiones ..................................................................................................................... 42

Recomendaciones ............................................................................................................. 42

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 44

ANEXOS .............................................................................................................................. 47

Anexo I Diagrama donde se muestran las diferentes entradas y salidas de la placa

Arduino Mega2560 ........................................................................................................... 47

Anexo II Relación de la razón de cambio de resistencia, con respecto a la

concentración de las sustancias que detecta el sensor MQ-131. ....................................... 48

Anexo III Relación de la razón de cambio de resistencia, con respecto a la

concentración de las sustancias que detecta el sensor WSP2110. .................................... 49

Anexo IV Relación de la salida de voltaje del sensor de partículas en suspensión en

relación a la cantidad de partículas detectadas ................................................................. 49

Anexo V Error en la lectura de temperatura del sensor AM2302 (DHT22) en

dependencia de la temperatura en que se encuentra ......................................................... 50

Anexo VI Error en la lectura de humedad relativa del sensor AM2302 (DHT22) en

dependencia de la humedad en que se encuentre .............................................................. 50

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

En la actualidad diversos compuestos del aire traen efectos negativos. El nivel de

contaminación que presenta la atmósfera de nuestro planeta afecta aspectos como son: la

salud, los materiales que se emplean en varias actividades, y a la naturaleza en general. El

índice de afectación varía de acuerdo al grado de polución, por lo que se hace necesario medir

la concentración de varios compuestos para mitigar los efectos adversos que provocan.

Varios estudios han logrado relacionar el incremento de la concentración de diversos

componentes presentes en el aire, con incidencia de diversas enfermedades respiratorias y

alérgicas como es el caso del asma (Jung et al., 2015). También se ha relacionado el

incremento de la incidencia de cáncer con la presencia de compuestos específicos en el

ambiente en que se respira (Guo et al., 2016). Los materiales que se emplean en la

construcción de estructuras metálicas sufren de acelerados niveles de corrosión, por el

incremento de los niveles de varios elementos gaseosos y compuestos derivados de estos

(Candelaria et al., 2015). De igual forma se ven afectados monumentos y construcciones

antiguas realizadas en piedra (Ramírez and Olmos, 2016). Los ecosistemas naturales también

sufren los efectos negativos del incremento de los niveles de contaminantes en el aire, siendo

muy susceptibles los acuáticos (Ramírez and Olmos, 2016).

Para la medición de los diferentes compuestos atmosféricos de interés se emplean varias

técnicas que pueden ir desde estaciones fijas con varios tipos de sensores, pasando por redes

de sensores inalámbricos y llegando hasta pequeñas estaciones móviles y portátiles. Montar

una red de monitoreo tanto de estaciones fijas como de sensores inalámbricos puede resultar

caro de mantener y de costear. Realizar una estación portable puede reducir gastos y facilitar

la reutilización de un solo sistema en varios lugares.

INTRODUCCIÓN 2

El Grupo de Automatización, Robótica y Percepción (GARP) de la Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas (UCLV), realiza grandes esfuerzos por obtener aplicaciones

útiles a la sociedad. Siguiendo esta línea se plantea el diseño de un sistema para medición de

gases, siguiendo la premisa de que el sistema deberá estar basado en sensores pequeños, de

bajo costo y consumo energético.

Se analizan las plataformas de cómputo Arduino, Raspberry-pi y Waspmote de la firma

Libelium para cumplir los requisitos que se expusieron anteriormente de peso, volumen y

consumo energético. Tras realizar el análisis se decide emplear la plataforma Arduino para

integrar varios sensores que se pueden incorporar de forma modular. La plataforma

mencionada cuenta con características de comunicación que permiten incorporar diversidad

de sensores y sistemas adicionales, o formar parte de un sistema más complejo.

La implementación de un sistema con las características anteriormente mencionadas se ajusta

a las condiciones del país. Aunque en estos momentos no se cuenta con precedentes a nivel

local de sistemas del tipo que se desea realizar, a nivel internacional y regional si se observan

estudios empleando sistemas con características similares a las deseadas, en campos como

son la detección de fugas de gas en áreas extensas (Rossi et al., 2014), detección de niveles

de contaminación que aportan fuentes contaminantes (Rozo, 2016), monitoreo de parámetros

ambientales de recintos con requerimientos estrictos en la composición (Roldán Gómez,

2014) y cuantificar los niveles de contaminantes en altura (Vargas V. and Lange V., 2015).

Dadas las anteriores condiciones el problema científico radica en cómo diseñar un

analizador de gases de reducidas dimensiones, peso y consumo energético, basado en

hardware y software libre. Por tanto se parte de la hipótesis de que: dada la existencia de

sistemas de cómputo pequeños y potentes a los que pueden ser acoplados sensores de bajo

costo, peso, dimensiones y consumo energético es posible integrarlo todo en un sistema

analizador de gases.

Entonces se plantea como objetivo general diseñar un sistema de análisis de gases

atmosféricos de bajo costo y pequeñas dimensiones, basado en hardware y software libre.

Atendiendo a esto se trazan los siguientes objetivos específicos:

1. Analizar la bibliografía sobre sistemas de medición de gases atmosféricos.

2. Caracterizar los sensores que pueden ser empleados en un sistema de medición de

gases atmosféricos.

INTRODUCCIÓN 3

3. Desarrollar la arquitectura de hardware del sistema.

4. Desarrollar la arquitectura de software del sistema.

5. Implementar prototipo para pruebas del sistema.

6. Desarrollar pruebas reales con el prototipo.

Impacto:

Con la implementación del proyecto se contribuye a ampliar la gama de aplicaciones que

trabaja el GARP, logrando incursionar en un área de impacto medio ambiental.

Aplicabilidad:

Este proyecto es aplicable a múltiples campos de la ingeniería en los que un sistema de

medición de gases atmosféricos pequeño, compacto y de bajo costo pueda ser de utilidad.

Disponer de este tipo de dispositivo permitirá realizar el monitoreo en áreas en las que un

equipo fijo no sea viable. De igual forma su reducido costo lo hace adecuado para su

despliegue en múltiples entornos.

Estructura del Trabajo:

Introducción

Capítulo 1: Se hace una descripción sobre los sistemas de análisis de gases, las tecnologías

existentes más relacionadas con la solución que se quiere dar al problema científico y se

analizan las investigaciones que existen en torno a este tema.

Capítulo 2: Se describen detalladamente los dispositivos de hardware y el software

seleccionado para implementar un prototipo de sistema, que dé solución al problema

planteado. Se presentan las posibilidades de interconexión de componentes.

Capítulo 3: Se presenta el dispositivo en hardware y software. Se realiza una evaluación y

análisis de los resultados del empleo en la práctica del dispositivo. Se analizan los impactos

medio ambiental y económico de la aplicación del sistema.

Conclusiones

Recomendaciones

Referencias Bibliográficas

Anexos

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO ASOCIADO AL DESARROLLO DE UN ANALIZADOR DE LA

COMPOSICIÓN DEL AIRE. 4

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO ASOCIADO AL DESARROLLO

DE UN ANALIZADOR DE LA COMPOSICIÓN DEL AIRE.

Analizar la composición del aire resulta en una herramienta útil para varios aspectos de la

vida diaria con efecto directo en la sanidad, la seguridad, el cuidado del ambiente y en la

planificación de estrategias para mitigar la contaminación.

En este capítulo se mencionarán varios efectos de la variación de la composición del aire, de

igual forma se presentan las características de algunos analizadores de gases profesionales,

así como la existencia de opciones alternativas a su empleo.

1.1 Necesidad de monitorear la composición de la atmósfera

Los sistemas de monitoreo de la composición del aire y de su calidad facilitan la toma de

decisiones acorde a las mediciones tomadas para mitigar efectos negativos. Esto teniendo en

cuenta los efectos de la contaminación del aire y la atmósfera sobre la salud humana (Amable

Álvarez et al., 2017) (Guo et al., 2016) (Abdel-Shafy and Mansour, 2016), los materiales

empleados en la sociedad actual (Candelaria et al., 2015), y sobre los ecosistemas terrestres

(Ramírez and Olmos, 2016).

Se debe tener en cuenta que en Cuba se protege por ley y constitucionalmente el medio

ambiente. Esto se postula en el Artículo 27 de la Constitución de la República de Cuba donde

se reconoce el deber de cada ciudadano de proteger el agua y la atmósfera; así como conservar

el suelo, la flora y la fauna. La ley 81 en sus artículos 117 y 118 establece que organismos

del estado norman el cuidado de la atmósfera.

Son diversos los compuestos de origen no natural que modifican de forma negativa la

composición de la atmósfera. El origen de la mayoría de ellos es la quema de combustibles



fósiles, y sustancias químicas volátiles derivados directamente de estos recursos energéticos

que se emplean en diversidad de productos de la cotidianidad (disolventes de pinturas y

esmaltes, lubricantes, aromatizantes sintéticos, plásticos etc.)(Amable Álvarez et al., 2017)

(Ramírez and Olmos, 2016) (Colvile et al., 2001). La implementación de sistemas de

detección de gases en hogares, industrias y centros de trabajo así como en minas y otros

lugares donde puedan crearse atmósferas venenosas o explosivas incrementa la seguridad de

las personas.

La composición de la atmósfera terrestre, aunque compartida por todos, no es homogénea.

Conocer las particularidades de algunas áreas se considera de utilidad a la hora de, por

ejemplo, seleccionar los materiales de construcción. Ejemplo de estas áreas pueden ser zonas

costeras, regiones con particularidades en el clima y países completos. La Figura 1.1 muestra

los niveles de partículas en suspensión (con un mínimo de 2.5 µm de diámetro) en la Región

de las Américas, según la Organización Mundial de la Salud. En la imagen los niveles altos

se representan por los colores amarillo y naranja.

Figura 1.1. Niveles modelados de partículas en suspensión para el área de América Latina.

Efectos de la contaminación del aire sobre la salud

La contaminación del aire afecta de diversas formas la salud. Los compuestos que se derivan

del tráfico de los vehículos con motores de combustión interna como son: dióxido de azufre

(SO2), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), ozono (O3), dióxido de



nitrógeno (NO2), partículas en suspensión y compuestos orgánicos volátiles; así como los

materiales derivados de estos por reacciones químicas, incrementan el riesgo de una variedad

de padecimientos (Amable Álvarez et al., 2017).

Se ha logrado demostrar que existe una relación directa en el incremento de la incidencia de

enfermedades alérgicas y cáncer de pulmón con la exposición directa a la contaminación

proveniente de los escapes de los motores de combustión interna. Esto se detecta

fundamentalmente en lugares urbanos con elevado tráfico vehicular. Los contaminantes que,

según se ha estudiado, inciden con mayor fuerza son el partículas en suspensión (2.5um) y el

ozono (Guo et al., 2016).

La exposición tanto a corto como a largo plazo a compuestos orgánicos volátiles,

provenientes principalmente de la combustión incompleta presente, por ejemplo en vehículos

y algunas industrias, trae efectos negativos sobre la salud. La exposición a corto plazo a estos

componentes tiende a causar irritación, inflamación y en algunos casos reacciones alérgicas.

Una exposición prolongada incrementa el riesgo de padecer asma y cataratas así como de

inflamación de las vías respiratorias y también tiende a inducir un debilitamiento del sistema

inmune e incrementar el riesgo de padecer cáncer (Abdel-Shafy and Mansour, 2016). En la

Tabla 1.1 se muestran distintos contaminantes y su efecto en la salud (Yi et al., 2015).

Tabla 1.1. Efectos sobre la salud de contaminantes de mayor interés

Contaminante Efecto sobre la salud

Monóxido de

carbono

Reducción de la capacidad de transporte de oxígeno de la

sangre y, en dosis elevadas, la muerte.

Dióxido de

nitrógeno

Afecta gravemente las vías respiratorias. Agrava

padecimientos del corazón.

Ozono Afecta gravemente las vías respiratorias.

Dióxido de azufre Incrementa los síntomas del asma y causa bronco

constricción.

Partículas en

suspensión

Reduce la esperanza de vida en personas con enfermedades

del corazón y agrava enfermedades y alergias del sistema

respiratorio.

1.1.2 Incidencia de la composición del aire en los materiales

Los materiales que se emplean a diario en la actividad humana también se ven afectados por

los efectos de la composición de la atmósfera y la contaminación que esta presenta. Entre los



compuestos que inciden en el deterioro de los materiales se encuentran la sal común muy

presente en las cercanías del mar y los compuestos de azufre como es el dióxido de este

elemento resultado de la combustión producida por el tráfico vehicular por ejemplo.

Se han realizado investigaciones cuyos resultados demuestran que el aumento de la

concentración de dióxido de azufre y de iones cloruro aumenta la velocidad de corrosión de

materiales como son el cobre y el acero (Candelaria et al., 2015).

Partiendo de compuestos como son los óxidos de azufre, nitrógeno, carbono y diversos

compuestos orgánicos volátiles, se forman por medio de diversas reacciones químicas otros

elementos contaminantes o con características que los hacen indeseables. Destacan entre

estos los ácidos que se forman al combinarse los compuestos mencionados con el agua

presente en la atmósfera y que en un evento más extremo forman las lluvias ácidas, al entrar

estos elementos en contacto con las nubes. Se ha demostrado que al hacerse más ácida la

lluvia se incrementa la velocidad de degradación de aceros en estructuras metálicas (Padilla

et al., 2015). Este tipo de precipitaciones tiende a afectar las construcciones hechas con piedra

caliza y otros materiales sensibles al ácido y por esta situación se han visto afectados varios

monumentos de interés mundial. Dentro de estos se encuentran reliquias arqueológicas con

más de un milenio como son los monumentos Mayas en nuestra región y la Acrópolis de

Atenas en Europa (Ramírez and Olmos, 2016).

1.1.3 Efectos de la contaminación del aire sobre los ecosistemas y cultivos

Se debe notar que por la similitud biológica entre el hombre y los animales estos también

sufren de los efectos de los contaminantes.

Como efecto de la variación de la acidez de los suelos se ven afectados ecosistemas

completos. Esto se debe a que al afectarse los árboles se afectan cadenas tróficas completas.

Los animales además de ver afectado el lugar de supervivencia por la pérdida de árboles se

ven afectados por otros elementos contaminantes que incrementan su efecto en ambientes

ácidos. También existe un fuerte impacto sobre los ecosistemas acuáticos donde la variación

del pH hace que comiencen a perder especies al aumentar la acidez (Ramírez and Olmos,

2016).



Los mantos freáticos se ven afectados dado que el incremento de la acidez facilita la

disolución de metales y su asimilación; dentro de estos se encuentran los metales pesados

con un efecto acumulativo en los organismos, que luego se trasladan a las personas.

Niveles recomendados de los elementos que se consideran con un fuerte impacto

Son varios los compuestos que son monitoreados a nivel mundial por su relación con la salud

humana. De igual forma varias organizaciones realizan recomendaciones sobre niveles

máximos o regulan legalmente los valores a partir de los cuales se considera deficiente la

calidad del aire. En la Tabla 1.2 (Yi et al., 2015) se muestran los datos propuestos por la

Agencia de protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA1) (por sus siglas en inglés), la

Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Comisión Europea (CE) para los elementos

que se consideran de interés.

Tabla 1.2. Valores de exposición recomendados por varias agencias (en base a tiempo)

Contaminante OMS CE EPA

Monóxido de

carbono

100mg/m3(15 min), 15

mg/m3 (1 h), 10 mg/m3

(8 h), 7 mg/m3 (24 h)

10 mg/m3 (8 h) 9 ppm (8h), 35

ppm (1h)

Dióxido de

nitrógeno

200 µg/m3 (1 h), 40

µg/m3 (1 año)

200 µg/m3 (1h),40

µg/m3 (1 año)

100 ppb (1h), 53

ppb (1 año)

Ozono 100 µg/m3 (8 h) 120 µg/m3 (8 h) 75 ppb (8h)

Dióxido de azufre 500 µg/m3 (10 min), 20

µg/m3 (24 h)

350 µg/m3 (1h),

125 µg/m3 (24 h)

75 ppb (1h)

0.5 ppm (3h)

Partículas en

suspensión (2.5

µm)

25 µg/m3 (24 h) , 10

µg/m3 (1 año) 25 µg/m3 (1 año)

35 µg/m3 (24 h),

12 µ g/m3 (1 año)

1.2 Analizadores de gases en el mercado y consideraciones sobre su uso.

En la actualidad existen disímiles tipos de analizadores de gases adaptados a las necesidades

específicas de cada usuario, tanto en estaciones fijas como portátiles. Se encuentra además

diversos fabricantes que ofertan una variedad de productos de buena calidad y que brindan

1 EPA: Del inglés Environmental Protection Agency



buen soporte al usuario. Se cubren campos de aplicación como son los equipos portátiles para

protección personal, a trabajadores que laboran en espacios confinados (minas y alcantarillas

por ejemplo) con posible presencia de gases venenosos o explosivos. También existen

equipos que se emplean para valorar las características de los escapes de vehículos, seguridad

de entornos industriales, detección de fugas y otros como el control de los niveles de

contaminación en ambientes urbanos.

1.2.1 Valoración sobre los analizadores de gases profesionales existentes

Tras consultar varios sitios y observar ofertas de analizadores se puede constatar que existe

variedad de productos que cubren gran cantidad de necesidades. Se pueden observar desde

productos para uso personal, domótica, determinación de las características de las emisiones

de motores de combustión interna, protección de personas que trabajan en ambientes hostiles

o peligrosos, hasta estaciones fijas de monitoreo de la calidad del aire y redes de sensores

inalámbricos. Estos equipos presentan la capacidad de medir gran variedad de variables. A

continuación se presentan algunos de ellos.

La estación compacta Aeroqual AQM65 (“Estaciones Portátiles : Aeroqual AQM65,” 2017)

es un equipo profesional compacto, de larga vida útil y capaz de medir muchas variables al

emplear varios sensores y adicionalmente puede realizar históricos. Presenta sensores de

dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, ácido sulfhídrico, Ozono,

Hidrocarburos no-metánicos y compuestos orgánicos volátiles. También mide partículas en

suspensión y presenta opciones variadas dentro de las que destaca la capacidad de conectarse

a internet. Los datos específicos de la estación se muestran en la Tabla 1.3 y en la Tabla 1.4

que contienen datos ofrecidos en el sitio oficial.

La estación SVT-EMA que se presenta en (“Estación de monitorización ambiental,” 2017)

cuenta con varias características útiles y la capacidad de agregar elementos adicionales. Se

muestran los detalles en la Tabla 1.5.

Tabla 1.3. Características del sistema de partículas en suspensión

Partículas en

suspensión

Tamaños de

partícula (µm)

Rango

(µg/m3) Error Flujo de aire

Monitor 1, 2.5, 10 0 a 2000 < 2 µg/m3 o <5%

lectura (valores altos)

2 litros por

minuto

Identificador

1 0 hasta 200 < 5 µg/m3 o < 5%

lectura (valores altos)

1 litro por

minuto 2.5 0 hasta 2000

10 0 hasta 5000



Tabla 1.4. Características de los sensores de Gas

Módulo de Gas Rango

(ppm)

Ruido

(ppm)

Sensibilidad

(ppm) Precisión (ppm)

Ozono 0 a 0.5 <0.001 0.001 <0.002 (0 a 0.1)

< 2% (valor > 0.)

Dióxido de

nitrógeno 0 a 0.2 <0.001 0.001

<0.003 (0 a 0.1)

<3% (valor > 0.1)

Monóxido de

carbono 0 a 25 0.020 0.040

<0.05 (0 a 2)

<3% (valor > 2)

Dióxido de Azufre 0 a 10 0.004 0.009 <0.009 (0 a 0.3)

<3% (valor > 0.)

Óxidos de

nitrógeno 0 a 1 <0.001 0.001

<0.003 (0 a 0.1)

<3% (valor > 0.1)

Ácido sulfhídrico 0 a 10 0.006 0.012 <0.012 (0 a 0.4)

<3% (valor > 0.4)

Dióxido de

carbono 0 a 2000 <5 10

<10 ppm (0 a 400)

<3% (valor > 400)

Compuestos

orgánicos volátiles 0 a 20 0.005 0.010

<0.010 (0 a0.5)

<2% (valor > 0.5)

Hidrocarburos (no

metano) 0 a 25 0.020 0.040

<0.05 (0 a 1)

<5% (valor > 1)

Amoniaco 0 a 10 0.05 0.100 <0.1 (0 a 2)

<5% (valor > 2)

Tabla 1.5. Características de los sensores

Sensor Electroquímico

(Elemento)

*Rango

recomendado *Sensibilidad *Resolución

*Valor

Máximo

Monóxido de carbono 0-1000 0,001 0,03 2000

Monóxido de Nitrógeno 0-20 0,001 0,001 50

Dióxido de Nitrógeno 0-20 0,001 0,001 50

Dióxido de azufre 0-100 0,001 0,002 200

Ozono 0-20 0,001 0,5 50

Ácido Sulfhídrico 0-100 0,0005 0,004 200

Compuestos orgánicos

volátiles 0-100 0,2 5% 200

*valores ofrecidos en ppm.

Este equipo ofrece capacidades opcionales de humedad temperatura partículas en suspensión

y otros.



En el sitio (“XGA301 Industrial Gas Analyzer - Michell Instruments | UK,” 2016) se ofrece

el medidor industrial XGA301 con capacidades de medición de oxígeno, monóxido de

carbono dióxido de carbono, dióxido de carbono y metano.

En (“Medidor de gases T4 10er Set | PCE Instruments,” 2017) se ofrece un detector de gases

portátil para protección de personal en ambientes potencialmente peligrosos (alcantarillado

por ejemplo) donde el personal se puede encontrar expuesto a concentraciones peligrosas de

varios elementos como son el oxígeno, el metano que es muy inflamable, el sulfuro de

hidrógeno y el monóxido de carbono este equipo incorpora varias formas de avisar al usuario.

Existen precedentes del empleo de un analizador de gases TESTO 335 para verificar la

calidad de la combustión de una caldera. En este caso se miden dióxido de carbono, oxígeno

y monóxido de carbono principalmente (Jiménez Borges et al., 2016).

La placa Waspmote de la firma Libelium, se ha empleado para montar con éxito una red de

sensores inalámbricos con el objetivo de medir varios parámetros de la calidad del aire en

Ciudad del Cabo (Bagula et al., 2012). Al consultar en la web se pueden observar varias

alternativas del sistemas que ofrece el mismo fabricante que se menciona anteriormente

(“Waspmote Technical Guide (v12) | Libelium,” 2018). El sistema propuesto, según se

observa, presenta varias modalidades según las necesidades del usuario y se encuentra en su

versión 3.0. Tiene varias características de interés como son: reducido volumen, un peso de

alrededor de 800 gramos, permite conectar hasta 6 sensores en paralelo, diseño modular que

permite adaptar el sistema a necesidades como pueden ser monitoreo de ciudades, ambientes

naturales, agricultura y otros; reducido consumo energético que le permite ser alimentado

con un pequeño panel solar en caso de necesitarse su empleo de forma remota y posibilidades

de comunicación inalámbrica y de incorporación a redes de sensores.

Al revisar las características de algunas de sus variantes se observa que las propuestas de

producto “Gases Sensor Board” y “Gases PRO Sensor Board” se pueden emplear como

punto de referencia atendiendo a los elementos que se miden y el nivel de precisión que se

emplea, dichos niveles se muestran a continuación en la Tabla 1.6.



Tabla 1.6. Características de los sensores que pueden ser empleados en “Gases PRO Sensor

Board”

Parámetro Rango Precisión

Temperatura -40 a 85 °C ±1 ºC

Humedad 0 a 100% HR ±3% HR (rango 20 a 80% RH)

Presión 30 a 110 kPa ±0.1 kPa (0 a 65 ºC)

Monóxido de Carbono 0 a 500 ppm ±1 ppm

Monóxido de Carbono 0 a 25 ppm ±0.1 ppm

Dióxido de Carbono 0 a 25 ppm ±50 ppm (0 a 2500 ppm)

±200 ppm (2500 a 5000 ppm)

Oxígeno 0 a 30% ±0.1%

Ozono 0 a 18 ppm ±0.2 ppm

Monóxido de

Nitrógeno 0 a 250 ppm ±0.5 ppm

Dióxido de Nitrógeno 0 a 20 ppm ±0.2 ppm

Dióxido de Azufre 0 a 20 ppm ±0.2 ppm

Amoniaco 0 a 100 ppm ±0.5 ppm

Metano 0 a 100 % ±0.15 %

Hidrógeno 0 a 1000 ppm ±10 ppm

Ácido Sulfhídrico 0 a 100 ppm ±0.1 ppm

Cloruro de Hidrógeno 0 a 50 ppm ±1 ppm

Cianuro de Hidrógeno 0 a 50 ppm ±0.2 ppm

Fosfano 0 a 20 ppm ±0.1 ppm

Óxido de etileno 0 a 100 ppm ±1 ppm

Cloro 0a 50 ppm ±0.1 ppm

Los ejemplos anteriores muestran las características de varios analizadores de gases

profesionales que normalmente presentan un respaldo por las compañías que los

comercializan y pueden representar un punto de comparación al analizar los resultados del

trabajo.

1.2.2 Factibilidad del empleo de los analizadores de gases profesionales

Las características de los analizadores de gases profesionales hacen que su empleo parezca

lo más acertado, pero se debe tener en cuenta también el impacto económico que ello implica.

Los costos varían según la aplicación del diseño, como por ejemplo el analizador de gases

TESTO 335 para verificar la calidad de la combustión tiene un precio elevado, alrededor de

9300 USD. Equipos de menores requerimientos y para usos menos exigentes como detección

de fugas, protección personal y para el uso en el hogar presentan precios no tan exigentes



entre 150 y 460 USD. La placa de desarrollo Waspmote se puede encontrar a precios menos

exigentes (por encima de 230 USD), pero siguen siendo precios altos para nuestras

condiciones.

El valor de estos equipos puede resultar excesivo para algunas aplicaciones como pueden ser

la detección de fugas de gas y de atmósferas dañinas, o el monitoreo ambiental en momentos

puntuales. Se debe tener en cuenta que sus características pueden ser utilizadas como

referencia de la calidad de medición.

1.3 Alternativas a los analizadores de gases profesionales

Paralelamente a los analizadores de gases profesionales existen ofertas de variedad de

sensores y módulos de desarrollo que permiten realizar un equipo con funcionalidades

similares en algunos casos y que cuentan con la ventaja de un costo mucho menor, que es

recomendable en el caso que se estudia. El empleo de este tipo de componentes tiene el

inconveniente de requerir un esfuerzo adicional por parte del usuario final que debe

desarrollar un dispositivo funcional y calibrarlo. Se debe tener en cuenta que existe también

la posibilidad de que para aplicaciones especializadas se deba desarrollar un dispositivo a la

medida que en el caso de no ser un desarrollo propio incrementa los costos del equipo.

1.3.1 Elementos de medición que pueden formar parte del sistema

En varias tiendas en línea se ofertan tanto sensores como módulos con el acondicionamiento

preparado para incorporar los mismos a plataformas de desarrollo como pueden ser Arduino

y Raspberry-pi que actualmente son muy populares (“Adafruit Industries” 2018.),

(“AliExpress.com,” 2018), (“Seeed Studio Official Forum and Community,” 2018),

(“SparkFun Electronics,” 2018). Paralelamente también existen comunidades y foros que

brindan soporte al desarrollo con este tipo de entornos. Se presentan casos donde los

vendedores de módulos y sensores con acondicionamiento proveen librerías y ejemplos de

software libre para las plataformas más populares y extendidas.

Los sensores disponibles a bajo costo cubren buena parte del espectro requerido para

desarrollar un analizador de gases y pueden medir elementos como: dióxido de carbono,

monóxido de carbono, ozono, metano, calidad general del aire, óxidos de azufre y de

nitrógeno, partículas en suspensión y compuestos orgánicos volátiles. Este tipo de sensores



presentan de forma general un bajo consumo energético y dimensiones reducidas.

Normalmente incorporan una interfaz de comunicación compatible con la mayoría de las

plataformas de desarrollo, o brindan una salida analógica de la lectura obtenida. Se debe tener

en cuenta que no todos presentan la misma interfaz de comunicación.

Dichos sensores se pueden adquirir a precios muy inferiores a los sistemas profesionales,

normalmente decenas de USD y en algunos casos, cuando el acondicionamiento que se les

agrega es complejo, los precios pueden superar los 50 USD. En un caso extremo se puede

comprar el elemento sensor en bruto y realizar el acondicionamiento para reducir costos.

1.3.2 Antecedentes al empleo de sistemas de reducido consumo energético y dimensiones

Se han realizado ya aplicaciones basadas en elementos de reducido peso, costo y consumo

energético donde se ha probado su efectividad. Adicionalmente se han realizado pruebas de

evaluación a sensores de bajo costo y se ha probado su efectividad (Delgado-Castro et al.,

2015), factores que apoyan la hipótesis de esta investigación.

Se puede observar que un grupo de sensores, integrado sobre la plataforma Arduino, sirve

para caracterizar las emisiones vehiculares (M et al., 2016). Este tipo de sistemas permite ser

integrado a sistemas más complejos, agregando conectividad inalámbrica u otro tipo de

comunicación.

En otro ejemplo se emplea un sistema que mide metano, humedad y temperatura (Rozo,

2016). El proyecto se realiza basado en la plataforma Arduino y con el objetivo de cuantificar

los niveles de emisión contaminante sobre un relleno sanitario. Este sistema de igual forma

ha sido incorporado a un vehículo aéreo no tripulado (VANT) y emplea sensores de bajo

costo. Adicionalmente almacena los datos empleando un medio de almacenamiento masivo

(Micro SD).

En otro caso se emplea un sistema con características similares a las deseadas para medir

distintos gases en altura mediante el empleo de un VANT (Vargas V. and Lange V., 2015).

Se mide ozono, partículas en suspensión y monóxido de carbono, el sistema se basa en la

tarjeta de desarrollo Freescale KL25Z para incorporar todos los elementos sensores.



En otro caso se ejemplifica la aplicabilidad de sistemas de bajo consumo, dimensiones y peso

(Rojas et al., 2015). Se emplea el sistema con el objetivo de ampliar el área de cobertura de

la red de sensores al dotarla de la capacidad de medir en altura.

Otra utilidad de sistemas de este tipo radica en la detección de fugas (Rossi et al., 2014). Se

han empleado sistemas basados en microcontrolador y en sensores de bajo consumo,

dimensiones y peso con éxito.

1.4 Plataformas de cómputo que se pueden emplear para integrar los sensores

Actualmente existen varias plataformas de cómputo libres que son capaces de integrar con

éxito múltiples sensores. Las más populares son Arduino, Raspberry-pi y Waspmote. Todas

ellas se pueden considerar como entornos libres en cuanto al hardware y software que se

emplea en el desarrollo.

1.4.1 Plataforma Arduino

La plataforma Arduino actualmente presenta una gran popularidad entre un grupo de

desarrolladores cada vez más creciente. Esta posee la característica de ser hardware libre y

tener un entorno de desarrollo basado en software libre. Adicionalmente posee un precio

asequible, por ejemplo un Arduino MEGA 2560 puede costar alrededor de 35 USD y un

modelo de menores prestaciones puede costar alrededor de 20 USD. Esta plataforma se puede

adaptar a varias necesidades y presenta características que la hacen muy adaptable.

La placa Arduino MEGA 2560 en su revisión 3 presenta 54 pines digitales con capacidad de

entrada y salida, así como 16 entradas analógicas con una resolución de hasta 10 bits en los

conversores analógicos-digitales. Adicionalmente los pines digitales pueden ofrecer salidas

con modulación de ancho de pulso e incorpora varias interfaces digitales como son I2C, serie

y GPIO. El sistema cuenta con librerías que permiten agregarle hardware para dotarlo de

capacidades como pueden ser comunicación inalámbrica, conexión a redes de computadoras

y almacenamiento externo. La placa Arduino Uno presenta características similares aunque

con una menor cantidad de interfaces de entrada/salida

Por estas características se considera su empleo el cual permite dotar a los sistemas de

modularidad y facilita la implementación de software necesario por la asistencia que prestan

sus promotores y varios foros de desarrolladores. También se tiene en cuenta que el consumo



energético es reducido y que las interfaces de comunicación presentan las características

adecuadas para incorporar variedad de sensores y para futuras expansiones.

1.4.2 Plataforma Raspberry-pi

Otra plataforma ampliamente aceptada es Raspberry-pi que se puede obtener a precios de

alrededor de 35 USD por unidad. Esta placa computadora es muy potente respecto a la

anterior y, por ejemplo, puede contar con un procesador de 1.4 GHz, de 4 núcleos de

procesamiento, de arquitectura ARM, 1 GB de memoria RAM y una unidad dedicada al

procesamiento de video y multimedia. Adicionalmente es capaz de soportar varios sistemas

operativos ampliamente difundidos tanto basados en GNU/Linux como sistemas operativos

de Microsoft, aunque se puede emplear una distribución realizada a su medida basada en

Debian GNU/Linux. La plataforma presenta un conector de propósito general GPIO con

capacidad de usar protocolos de comunicación como son I2C, SPI y otros. Además presenta

capacidades de comunicación inalámbrica que le permiten tener conexiones de datos de alta

velocidad. Cuenta con la capacidad de comunicarse con redes mediante el protocolo Ethernet.

Esta plataforma presenta un buen soporte tanto por parte de su comunidad de usuarios como

por sus desarrolladores, aunque el desarrollo sobre esta es más complejo que el de la

plataforma mencionada en la sección anterior debido a que es necesario interactuar con su

sistema operativo.

El consumo energético hace que se vea limitado su empleo en aplicaciones donde este es

crítico, pues puede llegar a superar los 6 W de potencia por lo que no se considera viable en

el caso actual.

1.4.3 Plataforma Waspmote de la firma Libelium

Esta plataforma cuenta con características similares a la plataforma Arduino tanto en poder

de cálculo como en consumo energético, aunque se ha optimizado para su empleo en redes

de sensores inalámbricos; por lo tanto presenta muy buenas características de comunicación

y consumo energético. El sistema es modular y se le pueden agregar varios tipos de sensores,

para los cuales se ha optimizado, por lo que su sistema se conexiones es menos orientado a

propósito general. Su plataforma de programación es muy similar a la de Arduino y también

es de software libre. Además facilita la adaptabilidad del sistema a las necesidades de cada

usuario. La compañía oficial que defiende el producto ofrece variantes de sistemas y sensores



que en la mayoría necesitan ser calibrados para obtener un rendimiento óptimo. La principal

desventaja es el costo elevado del sistema con respecto a las 2 plataformas anteriores que

pude superar los 200 USD solo en su versión de desarrollo, versiones más profesionales

pueden superar este valor.

1.5 Consideraciones del capítulo

En el análisis de bibliografía realizado se muestran los efectos de la contaminación de la

atmósfera. Posteriormente se observa en la Tabla 1.2 valores recomendados por varias

agencias con prestigio internacional para regular la calidad del aire basado en compuestos de

interés. Lo anterior muestra la necesidad de realizar una medición de la composición de la

atmósfera.

Se realiza un análisis de varios medios que se pueden emplear para medir los compuestos de

interés en la atmósfera y se considera como más adecuado a las condiciones actuales el

empleo de hardware y software libres. Por el análisis realizado se determina como más

adecuada la plataforma Arduino en conjunto con sensores de bajo costo.

CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA 18

CAPÍTULO 2. DISEÑO DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA

Basado en el análisis realizado en el capítulo anterior y en los recursos de hardware con que

se cuenta se describen las características del sistema propuesto tanto en hardware como en

software.

2.1 Arquitectura de hardware propuesta

Empleando varios de los sensores con que se cuenta se propone una arquitectura de

hardware. Se propone como elemento central el empleo de la plataforma Arduino y

empleando sus capacidades de entrada/salida aunar varios sensores para medir parámetros de

interés. En la Figura 2.1 se observa un diagrama de la arquitectura de hardware propuesta y

los elementos que la integran.

Figura 2.1. Diagrama de conexión del sistema.

Sensor de Humedad

y temperatura

(AM2302)

Sensor de compuestos

orgánicos volátiles

(WSP2110)

Sensor de ozono

(MQ-131)

Sensor para Partículas

en suspensión

(GP2Y1010AU0F)

Almacenamiento Unidad de cómputo

(Arduino MEGA2560)

Sensor de compuestos

orgánicos volátiles

(iAQ-Core)

Serie

Serie

Serie

Analógico

Analógico

Analógico


En la Tabla 2.1 se muestran los requerimientos de pines de entrada/salida requeridos de la

plataforma de cómputo y el consumo de cada elemento sensor.

Tabla 2.1 Requerimientos de entrada/salida y alimentación por módulo sensor.

Sensor o elemento a

conectar

Pines

analógicos

Pines

digitales Comunicación Alimentación

Potencia

requerida

AM2302 (humedad y

temperatura) 0 1 - 5 V o 3.3 V

Mínima

“iAQ-Core” con

acondicionamiento.

(Compuestos

orgánicos volátiles)

0 2 I2C 5 V y 3.3 V

> 100

mW

“WSP2110” con

acondicionamiento

(Compuestos

orgánicos volátiles)

1 1 - 5 V

> 400

mW

MQ-131 con

acondicionamiento

(ozono)

1 1 - 5 V

> 900

mW

“GP2Y1010AU0F”

para partículas en

suspensión

1 1 - 5 V

Mínima

TOTAL 3 8 - - -

Teniendo en cuenta lo mostrado en la Tabla 2.1 para la conexión de los sensores a la placa

Arduino se concluye que:

En el bus I2C se debe conectar el sensor “iAQ-Core”.

Las entradas analógicas se pueden cambiar según sean las necesidades de espacio si

se necesita reacomodar el sistema de sensores.

Las entradas y salidas digitales se deben escoger sin emplear lo pines de los buses

SPI e I2C y las entradas y salidas de los puertos serie, según sea necesario reacomodar

el sistema de sensores.


Lo anterior se hace teniendo en cuenta que la arquitectura de software puede adaptase

a los requerimientos anteriores con mucha facilidad, como se demostrará

posteriormente.

La alimentación se puede tomar tanto de la placa Arduino como de fuentes exteriores,

aunque se recomienda el empleo de la alimentación que proporciona la propia placa.

2.2 Características de los sensores

Se describen las características de los sensores; teniendo en cuenta consumo energético,

precio, características y calidad de la medición, e interfaz de comunicación. Se describe

además la interconexión de los sensores con la unidad de cómputo.

2.2.1 Sensor de humedad y temperatura AM2302 (DHT22)

El sensor AM2302 cuenta con buenas características tanto en calidad de la medición como

en su sensibilidad.

Tabla 2.2 Características de medición del sensor AM2302

Parámetro Rango de medición Resolución Error Típico Error máximo

Humedad 0% -100% 0.1% 2% 5%

Temperatura -40 °C a 80 °C 0.1 °C 0.5 °C -

El dispositivo se emplea con un rango de voltajes de alimentación que puede estar entre 3.3

V y 5 V y consume un máximo de 500 µA. Lo anterior representa un mínimo consumo de

potencia. Se recomienda un tiempo entre lecturas de 2 segundos como mínimo. Estas

características se consideran adecuadas.

El sensor se comunica mediante un protocolo serie digital. El protocolo es específico para el

grupo al que pertenece y es descrito por el fabricante. Además cuenta con varias

implementaciones en librerías de software libre compatibles con la plataforma de cómputo

que se desea emplear y se ha probado por varios usuarios con seguridad.


Figura 2.2 Sensor AM2302 y bus de conexión.

2.2.2 Sensor de calidad del aire mediante la detección de compuestos orgánicos

volátiles y dióxido de carbono “iAQ-Core”

Este sensor viene acondicionado electrónicamente con una interfaz compatible

eléctricamente con la plataforma de cómputo seleccionada. Dicha interfaz requiere de 2

tensiones de alimentación 3.3. V y 5 V. El sensor es capaz de medir tanto dióxido de carbono

como compuestos orgánicos volátiles, aunque tiene el inconveniente de no distinguir entre

sustancias. Según la hoja de datos del módulo sensor, es capaz de medir un rango de entre

400 y 2000 ppm de dióxido de carbono (o el equivalente en los demás compuestos), y entre

125 y 600 ppb (en inglés) de concentración de compuestos orgánicos volátiles (o el

equivalente en dióxido de carbono).

La comunicación se realiza mediante el protocolo I2C que debe sincronizarse por reloj a 100

kHz y la dirección por defecto del sensor es 0x5A en hexadecimal (90 en decimal). El sistema

es compatible con las librerías de la plataforma de cómputo.

Este sensor tiene como inconveniente requerir un tiempo de arranque de 5 minutos y, según

el fabricante es recomendable para el uso en interiores. Sus dimensiones son relativamente

pequeñas y pesa algunos gramos. El consumo energético es muy pequeño (<100 mW).

Tierra

No conectado

Datos (Serie)

Alimentación


Figura 2.3. Conexión del sensor iAQ-Core.

2.2.3 Sensor de CO2 y compuestos orgánicos volátiles “WSP2110”

Este sensor cumple funciones similares al anterior. Detecta diversos compuestos orgánicos

volátiles para emitir una salida proporcional a la concentración detectada. El rango de

medición, según el fabricante, se encuentra entre 1 y 50 ppm, equivalentes a alguno de los

compuestos que detecta. Detecta indistintamente acetona, tolueno, metano, metanal y

alcohol.

Este sensor tiene como inconveniente requerir de un precalentamiento previo a su empleo

superior a 24 horas, por lo que no es recomendado para su empleo de forma intermitente o,

al menos con alimentación al calentador intermitente. Su tiempo de respuesta, por otra parte

es de alrededor de 30 segundos.

Su salida de comunicación es analógica mediante una resistencia de carga en serie al

elemento sensor y es compatible con las entradas de la plataforma de cómputo con que se

cuenta, aunque la misma cuenta con el inconveniente de ser no lineal. Se alimenta con 5 V

tanto para el calentador como para el sistema del elemento sensor. Su consumo energético

no supera los 400 mW.

Tierra

Alimentación 3.3 V Alimentación 5 V

Conexión al bus I2C

Tierra


Figura 2.4 Conexión del sensor WSP2110.

2.2.4 Sensor de ozono MQ-131 (versión china)

El sensor de ozono es capaz de detectar cantidades entre 50 ppb (en inglés) y hasta 2 ppm de

dicha sustancia, según los datos que proporciona el vendedor. Se recomienda su empleo para

el hogar, industria y en elementos portátiles, aunque para detectar concentraciones peligrosas

y no para registrar datos con extrema precisión; esto después de ser calibrado. Se debe

destacar que el fabricante que vende el módulo con acondicionamiento no proporciona datos

coherentes en las hojas de datos que provee.

En caso del sensor con que se cuenta está acondicionado para ser alimentado con 5 V de

tensión tanto para el calentador como para el circuito de medición. Su salida es analógica y

el consumo de potencia, que es alrededor de 900 mW, se emplea casi completamente en el

calentador. El consumo se considera elevado.

Tiene como desventaja necesitar de un precalentamiento de 48 horas y tener una salida no

lineal. Para lograr un funcionamiento correcto requiere de ser calibrado y es sensible además

al cloro (gas dicloro considerado tóxico) y a los óxidos de nitrógeno.

La salida es compatible con la interfaz de entrada de la plataforma de cómputo que se

pretende emplear.

Alimentación 5 V Tierra

Salida Analógica

Encender Calentador

Tierra


Figura 2.5. Conexión del módulo sensor MQ-131.

2.2.5 Sensor óptico para partículas en suspensión “GP2Y1010AU0F”

EL sensor “GP2Y1010AU0F” se recomienda para la detección de partículas en suspensión

(polvo) en el aire y se recomienda para el monitoreo del aire. Se recomienda su aplicación en

acondicionadores de aire y purificadores. Se considera capaz de detectar el humo del

cigarrillo. Su principio de funcionamiento es por la detección de la luz infrarroja reflejada

por las partículas de polvo. Su sensibilidad máxima se considera de 0.65 V/ (µg/m3) y la

salida es analógica en forma de voltaje, en un rango de entre 0.5 V y 3.5 V. La alimentación

que requiere es de 5 V en corriente directa, con un consumo de corriente no mayor a 2 mA.

Para realizar una medición correcta requiere de tiempos muy estrictos en el pulso de

excitación al diodo emisor de luz infrarroja, del orden de centenas de microsegundos.

Adicionalmente requiere un capacitor de 220 μF y 150 Ω de resistencia para una correcta

excitación del sistema. Necesita adicionalmente generar un flujo de aire al cual medir, lo cual

puede ser inconveniente.

El sistema se considera compatible con la plataforma de cómputo que se pretende emplear.

Figura 2.6. Ubicación del bus de salida del sensor GP2Y1010AU0F.

Alimentación 5 V

Tierra

Salida Analógica

Salida digital (Comparador)

Resistencia de ajuste


Figura 2.7. Diagrama de conexión del sensor GP2Y1010AU0F.

2.3 Almacenamiento de datos

La plataforma de cómputo Arduino es compatible eléctricamente con unidades de

almacenamiento masivo SD empleando el bus SPI y librerías de software propias. Para un

correcto funcionamiento el medio de almacenamiento debe estar en formato FAT32. En

ausencia de un medio de almacenamiento se puede comunicar el sistema por el bus serie o

sobre USB con un computador. Esta última alternativa sirve además para depurar el sistema

u obtener datos en tiempo real sobre el funcionamiento del mismo.

Se pretende, mediante software, almacenar los datos obtenidos por cada sensor en una base

de datos con formato de texto plano. El dato almacenado se identificará por una marca de

tiempo relativa a la inicialización de la lectura. Se pretende almacenar tanto los datos en bruto

como procesados, esto permite realizar correcciones posteriores a la medición en caso de ser

requerido.


2.4 Plataforma de cómputo

Se pretende emplear como medio de cómputo la placa Arduino MEGA 2560, que se

considera cuenta con adecuada interfaz de entrada salida y poder de cálculo suficiente, se

tuvo en cuenta para su selección la facilidad de programación, su consumo energético y

dimensiones, y su costo.

2.4.1 Capacidades de entrada/salida de interés

Dicha plataforma cuenta, como se mencionó con anterioridad, con 54 pines digitales con

capacidad de entrada y salida. La interfaz digital cuenta con capacidades adicionales

empleando algunos de estos pines para tareas específicas. Cuenta con 4 interfaces de

comunicación serie UART, la primera de ellas se puede reflejar por el puerto USB de la placa

con motivos de depuración. Adicionalmente emplea un BUS I2C donde el dispositivo puede

trabajar en modo tanto de maestro como de esclavo. Se debe destacar que por esta interfaz

de comunicación (I2C) se pueden conectar 112 dispositivos eléctricamente en paralelo,

siendo al menos 1 de estos el maestro. Una parte de los pines cuenta con la capacidad de

generar salidas con modulación del ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés) con una

resolución de 8 bits. Presenta también un bus SPI. Cuenta con 16 entradas analógicas con

una resolución de 10 bits y un tiempo de lectura de 100 microsegundos.

2.5 Arquitectura de software

La arquitectura de software que se propone es segmentada en tareas. Esto dota a la aplicación

de modularidad y facilita el trabajo de programación. Para la realización del software se

emplean varias librerías de código abierto.

2.5.1 Librerías y herramientas de software

La plataforma cuenta con librerías propias y de software libre y puede emplearse el lenguaje

de programación C++. Son varias las librerías que son útiles, dentro de estas destacan

“WIRE” para el manejo de la interfaz I2C, “SPI” y “SD” para el manejo de unidades de

almacenamiento masivo (en formatos FAT y FAT32), y “SERIAL” para el manejo de los

puertos serie. También se emplea una implementación de las librerías estándar de C y C++,

dentro de las que puede ser útil la librería matemática (“Arduino - Home,” 2018).

Adicionalmente se pretende emplear las librerías y el sistema operativo en tiempo real


FreeRTOS, en su versión para la plataforma, con el objetivo de segmentar el código y las

diferentes tareas a del sistema. Dicho sistema operativo permite implementar las diferentes

tareas de adquisición de forma independiente, y ajustar los tiempos de ejecución mediante su

planificador de tareas.

Esta plataforma cuenta con su propio entorno de desarrollo, compiladores y herramientas. Se

destaca un monitor del puerto serie sobre USB y una herramienta para graficar variables

sobre el mismo protocolo de comunicación (“Arduino - Home,” 2018). Se pueden emplear

editores de texto externos para agregar capacidades adicionales como son el autocompletar

y sugerir palabras. Notepad++ es un ejemplo de editor externo; adicionalmente tiene la

ventaja de ser software libre y de podérsele agregar una extensión para el lenguaje de la

plataforma a emplear.

2.5.2 Arquitectura general de software

Empleando varias librerías de las que se mencionan con anterioridad, el propio entorno de

desarrollo de la plataforma, se propone una arquitectura de software que responda a las

demandas del hardware que se formula.

De forma general el software cuenta con 2 partes:

Inicio del sistema

Las diferentes tareas del sistema.

El software se propone de la forma más modularmente posible, empleando directivas del

preprocesador de C++ para facilitar esto. De esta forma se definen los pines analógicos y

digitales que serán empleados a lo largo del programa. Esto permite reorganizar de forma

eficiente las entradas y salidas de la aplicación de acuerdo a cambios en la arquitectura de

hardware. El empleo de dichas directivas permite compilar segmentos de software de forma

selectiva para, por ejemplo, habilitar secciones de depuración y prueba según sea necesario.

En el comienzo se realiza la inicialización de varias partes del sistema como son los buses de

comunicación y las variables globales. En esta parte se registran las tareas en el manejador

del sistema para su posterior ejecución. Además se le asignan los recursos de memoria a cada

tarea y la prioridad con que se van a ejecutar.


De forma lógica se divide el software en partes separadas para cada elemento como pueden

ser las variables, librerías, y tareas y funciones de cada sensor, de la manera más

independiente posible. También se administran, de forma independiente, la inclusión de

recursos adicionales como son la comunicación mediante los buses del sistema.

En la Figura 2.8 se muestra el diagrama general de flujo del software propuesto.

Figura 2.8. Diagrama de flujo de ejecución general del software del sistema.

En la sección de cada sensor se declaran sus variables globales, se declaran e implementan

sus tareas y se registran en el planificador. Las secciones se delimitan de forma lógica

mediante directivas del preprocesador de C++, esto permite deshabilitar en el código el

empleo de un sensor deseado sin afectar a los demás, antes de la compilación del software.

Esto se realiza con el objetivo de configurar el código fuente de una forma eficiente, de

acuerdo al prototipo de hardware a emplear.

2.5.3 Arquitectura general de una tarea

Las diferentes tareas del sistema se ejecutan de forma independiente y se sincronizan

mediante el manejador de tareas del sistema operativo, que se incluye en la librería


“ARDUINO_FREERTOS”. Cada tarea se encarga de un sensor en específico y realiza la

adquisición (y en algunos casos filtrado y acondicionamiento de los datos adquiridos) para

luego guardarlos en la base de datos.

Cuando una tarea se inicia realiza primero una inicialización (en el caso de ser necesario),

para luego ejecutarse de forma cíclica. Cada vez que se ejecuta un ciclo de tarea esta devuelve

el control al planificador de tareas, que le asigna recursos del sistema nuevamente cuando lo

calcule conveniente. En la Figura 2.9 se muestra el diagrama general de flujo de una tarea.

Figura 2.9. Diagrama de flujo de ejecución de una tarea.


La propuesta de hardware muestra un ejemplo de un analizador de gases portable, de bajo

costo, dimensiones y reducido consumo energético.

Adicionalmente se muestra las potencialidades de la plataforma Arduino para interconectar

varios dispositivos.


Mediante la propuesta de software se muestra que la plataforma de cómputo y el software

libre son lo suficiente maduros como para emplearse en proyectos relativamente complejos.

El software presentado cuenta con características suficientes para aprovechar las capacidades

del hardware formulado.

La modularidad del software brinda facilidades de adaptación a diversas situaciones donde

no se necesite emplear todos los sensores.

CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS 31

CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

En este capítulo se muestran los resultados obtenidos al implementar el sistema tanto en

software como en hardware. Se hace una comprobación del correcto funcionamiento del

software implementado y se realizan pruebas para corroborar que los sensores son sensibles

a los compuestos a los que se exponen.

Para realizar pruebas al sistema se tuvo en cuenta que las herramientas de la plataforma no

son suficientes para mostrar el flujo de datos que se presenta con varios sensores. Teniendo

en cuenta esto se emplea un software hecho a la medida de la aplicación para realizar gráficas

en tiempo real y guardar los datos obtenidos en un log. Dicho log puede emplearse como

base de datos para analizar los resultados con posterioridad. El software cuenta con

características que permiten emplear el sistema diseñado como una estación de análisis de

gases portable, mediante la conexión USB de la plataforma o mediante la conexión por el

puerto serie.

3.1 Comprobación del hardware

La comprobación de hardware se realiza mediante la interconexión del sistema en general,

tras chequear la asignación de pines a cada elemento que forma parte del sistema. Una vez

conectado se comprueba que se energicen correctamente todos los elementos y que el sistema

arranque. Esto es evidencia de que el consumo se corresponde con los cálculos y no supera

las capacidades del sistema.

Para comprobar que las conexiones son correctas se necesita del software implementado, al

recibir, del mismo, resultados coherentes.


3.2 Pruebas de software

Para comprobar el funcionamiento correcto del software se debe tener en cuenta que este está

ligado fuertemente al hardware. Utilizando como ventaja la estructura modular del software

primeramente se comprueba de forma individual que cada tarea se inicie correctamente y

realice algunos ciclos de adquisición de datos, y posteriormente, se comprueba de manera

integral.

3.2.1 Prueba de inicialización y adquisición de los datos

Para cada tarea, de forma individual y en modo de depuración, se comprueba por la salida

del puerto serie el inicio de la misma. En la Tabla 3.1 se muestran las salidas que corroboran

el inicio de cada tarea (se realiza en modo de depuración). En la Tabla 3.2 se muestran las

salidas que corroboran la correcta ejecución de cada tarea, esta parte se ejecuta de forma

cíclica. La estructura de la salida sigue un formato donde el primer valor es una marca de

tiempo en milisegundos relativa al inicio del sistema, posteriormente se agrega un

identificador del sensor, le sigue la unidad de medida y termina con el valor de la lectura.

Tabla 3.1 Salida emitida por cada tarea al inicio de su ejecución en modo de depuración.

Tarea por sensor Indicación de inicio

AM2302 tarea_lecturaSensor_AM2302_DHT22

iAQ-Core tarea_lecturaSensor_i2c_CalidadAire_mikroe

WSP2110 tarea_lecturaSensor_An_CO2_mikroe

GP2Y1010AU0F tarea_lecturaSensor_An_pm25

MQ-131 tarea_lecturaSensor_An_O3

Tabla 3.2 Salida que indica la ejecución de forma cíclica de cada tarea.*

Tarea por sensor Indicación de lectura

AM2302 537940 : temperatura : °C : 28.5

537940 : humedad_relativa : % : 77

iAQ-Core 541190 : CO2_equivalente_i2c : ppm : 6453

541190 : VOC_equivalente_i2c : ppb : 1778


WSP2110 540731 : sensor_An_CO2_mikroe_ppm_co2 : ppm : 0.02

540732 : sensor_An_CO2_mikroe_voltaje : V : 0.26

GP2Y1010AU0F 115046 : sensor_An_pm25_voltajesensor : V : 3.68

115154 : sensor_An_pm25_densidad_polvo : mg/m3 : 0.75

MQ-131 5519 : sensor_An_O3_voltaje_RL : V : 4.46

5587 : sensor_An_O3_ppb : ppb : 8.81

3.3 Prueba general de adquisición y respuesta ante la estimulación controlada del

prototipo

En este apartado se muestran los resultados obtenidos al comprobar el funcionamiento

general del sistema, mediante la exposición del mismo a ambientes controlados. Las

respuestas coherentes del sistema ante cada prueba demuestran que el sistema realiza una

correcta adquisición de datos. Para esto es necesario realizar pruebas reales con el prototipo

realizado.

3.3.1 Software para la adquisición de datos del analizador de gases

Para observar los resultados de la adquisición en tiempo real, y como medio para acceder a

los datos, se realizó una herramienta de software que emplea el puerto serie de la plataforma

Arduino. Los datos adquiridos se grafican en tiempo real tras su validación, y se guardan en

un archivo a forma de base de datos.

Para la realización de esta aplicación se emplea el “framework” Qt. En la Figura 3.1 se

muestra una captura de la aplicación y las partes que la componen. En la Figura 3.2 se muestra

una imagen de una de las gráficas que se generan al conectar el prototipo con la computadora

que utiliza la aplicación.


Figura 3.1. Vista de la aplicación desarrollada para la adquisición de datos del analizador de

gases propuesto, en su pantalla principal.

Figura 3.2. Vista de la aplicación realizando una gráfica en tiempo real utilizando los datos

adquiridos.

Valor Adquirido Valor filtrado


3.3.2 Resultados de las puebas realizadas

Al exponer un prototipo realizado para pruebas a diversas condiciones se puede observar su

respuesta. La respuesta se ve mediante el software de adquisición diseñado, tanto para su uso

en ambientes reales como para realizar pruebas. En la Figura 3.3 se muestra una imagen del

prototipo implementado para las pruebas del sistema.

Figura 3.3. Imagen del prototipo del sistema propuesto.

Los resultados de las pruebas realizadas se muestran en varias figuras. En la Figura 3.4 se

observa la respuesta obtenida ante un cambio de temperatura durante un intervalo tiempo.

Primeramente se expone el sistema a una fuente de aire caliente y se ve el aumento de la

temperatura detectado, para luego observar como vuelve a los parámetros normales cuando

se retira de la fuente de calor.


Figura 3.4. Detección de un cambio de temperatura (°C) en el tiempo (segundos).

A consecuencia del cambio de temperatura se observa en la Figura 3.5 el cambio en la

humedad relativa del aire. Se registra una disminución de humedad relativa por el aumento

de la temperatura, para luego volver a sus valores iniciales en conjunto con la temperatura

Figura 3.5. Detección de un cambio en la humedad relativa del aire.

Temperatura (°C) Valor filtrado

Humedad relativa (%) Valor filtrado


Ante la exposición a un compuesto orgánico volátil se observa la respuesta en la Figura 3.6.

En la Figura 3.7 se observa la variación del voltaje del elemento sensor ante dicho estímulo.

Figura 3.6 Respuesta en el tiempo (segundos) ante la exposición a un compuesto orgánico

volátil (ppm).

Figura 3.7 Variación de voltaje en el elemento sensor ante la presencia de un compuesto

orgánico volátil.

Equivalente a CO2 en ppm

Voltaje del sensor


Ante una fuente de dióxido de carbono se registra el aumento de los niveles del elemento.

En la Figura 3.8 se observa cómo se registra el cambio.

Figura 3.8 Detección del incremento de la concentración de dióxido de carbono en el

tiempo.

Otra prueba realizada al sistema para comprobar la detección de partículas en suspensión,

muestra en la Figura 3.9 como va desde la saturación del sensor hasta un valor mínimo. Se

observa además una respuesta rápida del mismo dado por su principio de detección

fotoeléctrico.

Para comprobar la detección de ozono en el aire se realiza una prueba en descenso de la

concentración de la sustancia. En la Figura 3.10 se observa como desciende la concentración

en el tiempo ante una disminución del elemento en el ambiente creado.

Valor medido en ppm Valor filtrado


Figura 3.9 Detección de la concentración de partículas en suspensión con respecto al

tiempo.

Figura 3.10 Disminución de la concentración de ozono (en ppb) en el tiempo (en

segundos).

Partículas en suspensión (mg/m3)

Ozono (ppb)


3.4 Análisis económico y medio ambiental

Se muestra el impacto económico y medio ambiental del proyecto. Para esto se tienen en

cuenta el costo del equipamiento y el impacto ambiental del proyecto que se considera

positivo.

3.4.1 Analisis económico

El proyecto tiene buen impacto económico debido a que al basarse en software y hardware

libres no se pagan costos adicionales por efecto de las licencias. Los costos se centran en los

recursos de hardware que son de bajo costo. Debe tenerse en cuenta que realizar un desarrollo

requiere recursos humanos y materiales adicionales.

La Tabla 3.1 muestra los costos por componente empleado de los elementos más

significativos.

Tabla 3.1 Precios para cada componente que se emplea en el proyecto

Elemento Precio (USD)

Sensor de compuestos orgánicos volátiles (iAQ-Core) 79.00

Sensor para Partículas en suspensión (GP2Y1010AU0F) 11.25

Sensor de Humedad temperatura (AM2302) 12.99

Sensor de ozono (MQ-131) 26.99

Sensor de compuestos orgánicos volátiles (WSP2110) 49.00

Unidad de cómputo (Arduino MEGA2560) 35.00

Arduino click shield (Adaptador eléctrico) 9.50

Total 223

Estos costos se consideran mínimos en comparación a los equipos profesionales que se

observan en el capítulo 1.

3.4.2 Análisis ambiental.

Se considera el proyecto con un impacto ambiental positivo dado que permite medir los

parámetros ambientales sin producir contaminación u otro efecto adverso.


Medir los parámetros ambientales, en este caso la composición de la atmósfera, brinda varias

posibles aplicaciones enfocadas en el manejo ambiental. Se debe tener en cuenta que para

realizar cualquier acción ya sea preventiva o correctiva se necesita saber las condiciones en

que se encuentra el ambiente.

Tener un dispositivo de bajo coste, dimensiones y consumo energético permite una mayor

movilidad y facilidad de colocación del mismo en ambientes aislados donde normalmente no

se pueden poner dispositivos convencionales. Basado en un dispositivo con estas

características se pueden realizar desarrollos para adaptarlo a otras aplicaciones con carácter

ambiental.


Los datos presentados confirman la hipótesis propuesta. Se considera válido el empleo de

hardware libre y de bajo costo así como de software libre para el desarrollo de aplicaciones

útiles a la sociedad. En la parte económica se considera que la diferencia de costos de la

propuesta es relevante referido a los equipos profesionales presentados.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 42

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

El uso de sensores de bajo costo es viable para este tipo de aplicaciones, solo trae aparejado

el inconveniente de un mayor esfuerzo de diseño.

La plataforma Arduino cuenta con características indispensables para la realización del

sistema, de conjunto con los sensores seleccionados.

La arquitectura de hardware y software desarrollada, satisface las necesidades básicas de la

aplicación.

Se diseñó un sistema de bajo costo, consumo energético y reducidas dimensiones, que es una

alternativa viable, cuando las prestaciones requeridas no son muy elevadas.

Las pruebas reales con el sistema diseñado arrojaron resultados adecuados a las prestaciones

del sistema.

Recomendaciones

Se recomienda, por su impacto negativo probado, y siguiendo las sugerencias de varios

organismos reguladores (principalmente la OMS) medir los compuestos que se mostraron en

la Tabla 1.1 y en la Tabla 1.2. Para los rangos de medición que se sugieren se tienen en cuenta

además las características de los equipos profesionales tratados en el trabajo.

En la siguiente tabla se muestran los rangos de medición sugeridos para los compuestos que

se consideran de interés.

Compuesto Rango de medición sugerido (ppm).

Monóxido de carbono 0 a 50

Dióxido de nitrógeno 0 a 0.2

Ozono 0 a 0.5

Dióxido de azufre 0 a 20

Partículas en suspensión 0 a 2000 (µg/m3)

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 43

A pesar de considerarse como adecuados los elementos que se miden en los sensores

propuestos, se recomienda realizar un análisis profundo de sensores de bajo costo para

obtener mejores prestaciones. Se deben tener en cuenta los rangos recomendados con

anterioridad.

Se recomienda calibrar los sensores en los intervalos de tiempo recomendados por su

fabricante. Se considera que puede mejorar la validez de los datos adquiridos, y garantiza la

calidad de estos para aplicaciones científicas

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 44

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ANEXOS 47

ANEXOS

Anexo I Diagrama donde se muestran las diferentes entradas y salidas de la placa

Arduino Mega2560

ANEXOS 48

Anexo II Relación de la razón de cambio de resistencia, con respecto a la

concentración de las sustancias que detecta el sensor MQ-131.

ANEXOS 49

Anexo III Relación de la razón de cambio de resistencia, con respecto a la

concentración de las sustancias que detecta el sensor WSP2110.

Anexo IV Relación de la salida de voltaje del sensor de partículas en suspensión en

relación a la cantidad de partículas detectadas

ANEXOS 50

Anexo V Error en la lectura de temperatura del sensor AM2302 (DHT22) en

dependencia de la temperatura en que se encuentra

Anexo VI Error en la lectura de humedad relativa del sensor AM2302 (DHT22) en

dependencia de la humedad en que se encuentre

, Junio y 2018

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